船舶曲板成形雙目立體視覺在位檢測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、當(dāng)前我國(guó)已成為世界主要造船大國(guó)，但與國(guó)際先進(jìn)造船國(guó)家相比，不論是在總體建造技術(shù)水平還是先進(jìn)制造工藝方面仍有較大的差距。船舶曲板成形是船體外板制造的關(guān)鍵工序，目前國(guó)內(nèi)船企大多仍采用手工水火彎板成形工藝。該工藝采用手工對(duì)樣檢測(cè)方式。由于檢測(cè)精度低、效率低、成本高等缺點(diǎn)，手工對(duì)樣檢測(cè)已成為水火彎板工藝實(shí)施自動(dòng)化的“瓶頸”。因此開發(fā)船舶曲板成形數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)已成為我國(guó)造船業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。為此針對(duì)船舶曲板的成形工藝需求及工況特點(diǎn)，本文研究了面向船舶

2、曲板成形的雙目立體視覺在位檢測(cè)技術(shù)，并重點(diǎn)對(duì)雙目立體視覺在位測(cè)量方案的開發(fā)、在位標(biāo)定、投影特征的精確提取、成形表面的快速三維重建以及基于數(shù)模的自反饋檢測(cè)等方面進(jìn)行了研究。
　　船舶曲板通常具有尺寸大、彎勢(shì)大和成形精度要求高等特點(diǎn)，使得常規(guī)雙目立體視覺測(cè)量技術(shù)在船舶曲板成形檢測(cè)中的應(yīng)用變得較為困難。針對(duì)這一問題，論文首先提出了一種面向船舶曲板成形檢測(cè)的雙目立體視覺在位測(cè)量技術(shù)方案。其次進(jìn)一步對(duì)該方案中的雙目立體視覺的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化

3、，將傳感器的額定工作距離設(shè)定為2500 mm，基線距離為1500 mm。最后開發(fā)了一套面向船舶曲板成形在位檢測(cè)的雙目立體視覺測(cè)量傳感器。
　　由于現(xiàn)場(chǎng)加工振動(dòng)和溫差等不利因素的長(zhǎng)期影響，雙目立體視覺的結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)失效，致使測(cè)量精度降低，導(dǎo)致系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)需要周期性在位校正。針對(duì)傳統(tǒng)的大尺寸標(biāo)定靶通常不便操作、保管和維護(hù)，使得其難以勝任復(fù)雜工況下在位標(biāo)定的問題，論文提出了一種基于小型二維靶的大視場(chǎng)雙目立體視覺結(jié)構(gòu)參數(shù)在位標(biāo)定方法。該方

4、法在首次標(biāo)定時(shí)采用傳統(tǒng)的大尺寸靶對(duì)像機(jī)內(nèi)參數(shù)進(jìn)行離線標(biāo)定，而在位時(shí)則采用小型二維靶對(duì)像機(jī)間的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行周期性標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文方法較傳統(tǒng)標(biāo)定方法將系統(tǒng)的測(cè)量精度提高了13％。
　　投影特征的精確提取對(duì)主動(dòng)雙目立體視覺的三維重建精度有著直接的影響。由于成形船舶曲板表面的光學(xué)非均勻性、邊緣深度階躍和遮擋等會(huì)對(duì)投影圓斑的完整性產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致經(jīng)典的直接橢圓代數(shù)擬合方法（DESAF）無法精確地提取圓斑中心。為解決此問題，論文提出了一種

5、基于迭代直接橢圓代數(shù)擬合的改進(jìn)方法（IBDESAF），通過不斷地濾除非完整圓斑輪廓上的噪聲點(diǎn)，以此提高非完整圓斑中心的提取精度。仿真和實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)表明基于迭代直接橢圓代數(shù)擬合方法較直接橢圓代數(shù)擬合方法顯著地提高了非完整圓斑中心的提取精度。
　　針對(duì)傳統(tǒng)多幅投影結(jié)構(gòu)光技術(shù)在測(cè)量過程中易受現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)的干擾，同時(shí)較多的投影底板數(shù)也會(huì)降低測(cè)量效率，論文研究了一種基于鄰域拓?fù)湫畔⒌膯畏Y(jié)構(gòu)光立體匹配技術(shù)。該技術(shù)對(duì)單幅投影陣列中的每個(gè)圓斑進(jìn)行唯一坐

6、標(biāo)定義，然后基于此編碼坐標(biāo)值建立左右攝像機(jī)中對(duì)應(yīng)圓斑的立體匹配，因此較適合船舶曲板成形表面的在位快速測(cè)量。仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)板測(cè)量表明該方法可實(shí)現(xiàn)不同排列下圓斑的準(zhǔn)確編碼并可用于成形曲板的在位快速測(cè)量，其單視角測(cè)量時(shí)間小于2s。此外通過測(cè)試平板對(duì)本文所開發(fā)的測(cè)量傳感器的測(cè)量精度進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明系統(tǒng)的有效工作距離為(2300 mm，2900 mm)，測(cè)量誤差不超過0.5 mm，測(cè)量場(chǎng)景不小于2000 mm×2500 mm，可以滿足船舶曲板成

7、形的在位檢測(cè)要求。
　　為判斷船舶曲板的成形狀態(tài)，還需要將測(cè)量數(shù)據(jù)與理論模型進(jìn)行配準(zhǔn)比對(duì)。不過，首先由于船舶曲板在多步漸近成形過程中，數(shù)模間會(huì)存在大偏差，導(dǎo)致常規(guī)的數(shù)模配準(zhǔn)方法難以適用；其次針對(duì)點(diǎn)云形式的數(shù)模比對(duì)，采用基于最近點(diǎn)的點(diǎn)到點(diǎn)法則的計(jì)算比對(duì)誤差較大，而針對(duì)形狀大偏差時(shí)常規(guī)基于點(diǎn)到面法則的比對(duì)方法一方面計(jì)算量大，另一方面精度亦不高；最后當(dāng)前基于數(shù)模的檢測(cè)方法大多缺少在位成形誤差反饋功能。針對(duì)上述問題，本文首先提出了一種基于

8、全局相似特征的數(shù)模自動(dòng)粗配準(zhǔn)方法，以解決數(shù)模大偏差時(shí)的配準(zhǔn)問題；其次本文針對(duì)船舶曲板的成形過程，提出了一種基于投影插值的成形曲板數(shù)模對(duì)應(yīng)點(diǎn)查找方法，并分別評(píng)價(jià)了曲板的成形型面面差、橫向成形度、縱向成形度和縱向扭曲度等；最后結(jié)合前文結(jié)構(gòu)光的編碼原理，提出了一種將成形曲板的數(shù)模比對(duì)誤差反饋至成形曲板表面的在位自反饋檢測(cè)方法，以利于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)工人確定或修正后續(xù)成形工藝參數(shù)。采用上述所提方法對(duì)馬鞍型成形樣件進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明本文方法可以實(shí)現(xiàn)